DE102020212701A1 - Process to reduce pores and to increase the penetration depth when welding copper materials - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Reduzierung von Poren (26) und zur Erhöhung der Einschweißtiefe (58, 62) in ein Werkstück (42) beim Schweißen von Kupferwerkstoffen mittels Laserstrahlschweißen. Es werden zumindest die nachfolgenden Verfahrensschritte durchlaufen:Es erfolgt eine aktive Oxidation (24) einer Oberfläche (44) eines Werkstücks (42) durch einmalige Überfahrt (58) eines Laserstrahls (40) mit reduzierter Laserleistung entlang einer Schweißnahtgeometrie (36), Durchführen mindestens einer zweiten Überfahrt (60) entlang der Schweißnahtgeometrie (36), vorbehandelt gemäß a) mit reduzierter Laserleistung gemäß a) unter Ausnutzung einer erhöhten Absorption des Laserstrahls (40) durch die in a) hervorgerufene Modifikation der Oberfläche (44) oder es erfolgt alternativ eine Zuführung mindestens einer zweiten Überfahrt (60) des Laserstrahls (40) mit Laserleistung > reduzierter Laserleistung gemäß a) entlang der Schweißnahtgeometrie (36) unter Ausnutzung einer erhöhten Absorption des Laserstrahls (40) durch die in a) hervorgerufene Modifikation der Oberfläche (44) zur Erhöhung einer ersten Einschweißtiefe (56) auf zumindest eine zweite Einschweißtiefe (62) im Werkstück (42).Darüber hinaus bezieht sich die Erfindung auf die Verwendung des Verfahrens zum Schweißen von mit Cu beschichteten Substraten auf Kunststoff oder Keramik bei einer Cu-Metallisierungsdicke von weniger als 100 µm sowie auf das Verschweißen von Folienstapeln aus Kupferfolien in der Batteriefertigung oder der Elektronikfertigung.The invention relates to a method for reducing pores (26) and increasing the welding depth (58, 62) in a workpiece (42) when welding copper materials using laser beam welding. At least the following method steps are carried out: Active oxidation (24) of a surface (44) of a workpiece (42) takes place by a single pass (58) of a laser beam (40) with reduced laser power along a weld seam geometry (36), carrying out at least one second pass (60) along the weld seam geometry (36), pretreated according to a) with reduced laser power according to a) using increased absorption of the laser beam (40) by the modification of the surface (44) caused in a) or alternatively a feed takes place at least one second pass (60) of the laser beam (40) with laser power > reduced laser power according to a) along the weld seam geometry (36) using increased absorption of the laser beam (40) due to the modification of the surface (44) caused in a) to increase a first welding depth (56) to at least a second welding depth (62) in the workpiece (42).Darü The invention also relates to the use of the method for welding Cu-coated substrates to plastic or ceramics with a Cu metallization thickness of less than 100 μm and to welding foil stacks made of copper foils in battery production or electronics production.
Description
Technisches Gebiettechnical field
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Reduzierung von Poren und zur Erhöhung der Einschweißtiefe in einem Werkstück beim Schweißen von Kupferwerkstoffen mittels Laserstrahlschweißen. Des Weiteren bezieht sich die Erfindung auf die Verwendung des Verfahrens zum Schweißen von mit Cu beschichteten Substraten aus Kunststoff oder Keramik bei sehr dünnschichtigen Kupfermetallisierungsschichten und auf die Verwendung des Verfahrens zum Einsatz in der Batteriefertigung und der Elektronikfertigung.The invention relates to a method for reducing pores and increasing the welding depth in a workpiece when welding copper materials using laser beam welding. Furthermore, the invention relates to the use of the method for welding Cu-coated substrates made of plastic or ceramics with very thin copper metallization layers and to the use of the method for use in battery production and electronics production.
Stand der TechnikState of the art
Die zunehmende Elektrifizierung des öffentlichen und des privaten Personenverkehrs (Elektromobilität) stellt erhöhte Anforderungen an die Fertigungs- und Fügetechnik einzelner Komponenten elektrischer Baugruppen. Der Bedarf an hohen Stromtragfähigkeiten in Kombination mit ausreichender Lebensdauerfestigkeit fordert in vielen Fällen den Einsatz von Kupferwerkstoffen. Diese Werkstoffe müssen unter dem Aspekt möglichst hoher Fügequalitäten und hoher Produktivität elektrisch leitend miteinander verbunden werden können. Oftmals ist dabei auf einen sehr definierten Energieeintrag in Kombination mit engen Qualitätstoleranzen zu achten.The increasing electrification of public and private passenger transport (electromobility) places increased demands on the manufacturing and joining technology of individual components of electrical assemblies. The need for high current-carrying capacities in combination with sufficient service life requires the use of copper materials in many cases. It must be possible to connect these materials to one another in an electrically conductive manner with a view to achieving the highest possible joining quality and high productivity. It is often important to ensure a very defined energy input in combination with narrow quality tolerances.
Das Laserstrahlschweißen hat sich bereits als hochflexibles Fügeverfahren in der industriellen Fertigungstechnik etabliert, bringt aber beim Schweißen von Kupferwerkstoffen zahlreiche Herausforderungen mit sich. Die geringe Absorption von Laserstrahlung typischer Schweißlaser mit ungefähr 1 µm Wellenlänge erfordert sehr hohe Intensitäten am Bauteil, um überhaupt einen Schweißprozess realisieren zu können. Zusätzlich erschwert die hohe Wärmeleitfähigkeit des Kupfers den Wärmeeintrag erheblich. Mit Erreichen der Schmelztemperatur steigt die Absorption sprungartig um den Faktor 2 bis 3 an, wohingegen die Wärmeleitfähigkeit ungefähr um den Faktor 2 abfällt. Dies führt zu einem starken Anstieg des Energieeintrags, verbunden mit der schlagartigen Ausbildung eines Dampfkanals (keyHhole) mit großem Aspektverhältnis (Verhältnis keyhole-Tiefe zu keyhole-Durchmesser).Laser beam welding has already established itself as a highly flexible joining process in industrial manufacturing technology, but it poses numerous challenges when welding copper materials. The low absorption of laser radiation from typical welding lasers with a wavelength of around 1 µm requires very high intensities on the component in order to be able to carry out a welding process at all. In addition, the high thermal conductivity of copper makes the heat input considerably more difficult. When the melting temperature is reached, the absorption suddenly increases by a factor of 2 to 3, while the thermal conductivity drops by a factor of about 2. This leads to a sharp increase in the energy input, combined with the sudden formation of a vapor channel (keyHhole) with a large aspect ratio (ratio of keyhole depth to keyhole diameter).
Einerseits sind so geringe Einschweißtiefen (100 µm bis 500 µm) nur durch die Kombination sehr gut fokussierbarer Laserstrahlung (gute Strahlqualität) und einer geeigneten Prozessstrategie (z. B. örtliche Strahloszillation) realisierbar. Weitere Herausforderungen resultieren aus den auftretenden keyhole-Instabilitäten, die bei hohen Aspektverhältnissen unvermeidbar sind und zu Spritzern oder Schmelzeauswürfen führen können.On the one hand, such small welding depths (100 µm to 500 µm) can only be achieved through the combination of laser radiation that can be focused very well (good beam quality) and a suitable process strategy (e.g. local beam oscillation). Further challenges result from the keyhole instabilities that occur, which are unavoidable with high aspect ratios and can lead to spatter or melt ejections.
Darstellung der ErfindungPresentation of the invention
Erfindungsgemäß wird beim Schweißen von Kupferwerkstoffen mittels Laserstrahlschweißen ein Verfahren zur Reduzierung von Poren und zur Erhöhung der Einschweißtiefe in ein Werkstück vorgeschlagen, wobei zumindest die nachfolgenden Verfahrensschritte durchlaufen werden:
- a) Aktive Oxidation einer Oberfläche eines Werkstücks durch einmalige Überfahrt eines Laserstrahls mit reduzierter Laserleistung entlang einer Schweißnahtgeometrie,
- b) Durchführen mindestens einer zweiten Überfahrt entlang der Schweißnahtgeometrie, vorbehandelt gemäß a) mit reduzierter Leistung gemäß a) und Ausnutzung einer erhöhten Absorption des Laserstrahls durch die in a) hervorgerufene Modifikation der Oberfläche, oder
- c) Durchführen mindestens einer zweiten Überfahrt des Laserstrahls mit Laserleistung > reduzierter Laserleistung gemäß a) entlang der Schweißnahtgeometrie unter Ausnutzung einer erhöhten Absorption des Laserstrahls durch die in a) hervorgerufene Modifikation der Oberfläche zur
- d) Erhöhung einer ersten Einschweißtiefe auf mindestens eine zweite Einschweißtiefe im Werkstück.
- a) Active oxidation of a workpiece surface by a single pass of a laser beam with reduced laser power along a weld seam geometry,
- b) Carrying out at least one second pass along the weld seam geometry, pretreated according to a) with reduced power according to a) and utilizing increased absorption of the laser beam due to the surface modification caused in a), or
- c) Carrying out at least one second pass of the laser beam with laser power> reduced laser power according to a) along the weld seam geometry using increased absorption of the laser beam due to the modification of the surface caused in a).
- d) increasing a first welding depth to at least a second welding depth in the workpiece.
Durch das erfindungsgemäß vorgeschlagene Verfahren kann eine aktive Oxidation vorgenommen werden, was die Anwesenheit von Wasserstoff, insbesondere aus der Umgebung des Schweißprozesses, signifikant reduziert, was wiederum bei Ausführen der Schweißoperation die mechanische Festigkeit der erhaltenen Schweißnaht erheblich verbessert. Des Weiteren kann durch das erfindungsgemäß vorgeschlagene Verfahren die Ausbildung einer Oxidschicht, die im Rahmen einer ersten Überfahrt über die Schweißnahtgeometrie erzeugt wird, dazu genutzt werden, im Rahmen einer zweiten Überfahrt des Laserstrahls über die entsprechende Nahtoberraupe eine weitere Durchdringung des aufgeschmolzenen Gefüges, d. h. eine erhebliche Erhöhung der Einschweißtiefe zu erreichen.Active oxidation can be carried out with the method proposed according to the invention, which significantly reduces the presence of hydrogen, in particular from the environment of the welding process, which in turn significantly improves the mechanical strength of the weld seam obtained when the welding operation is carried out. Furthermore, with the method proposed according to the invention, the formation of an oxide layer, which is produced during a first pass over the weld seam geometry, can be used to further penetrate the melted structure, i. H. to achieve a significant increase in the welding depth.
In einer vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäß vorgeschlagenen Verfahrens erfolgt eine Erhöhung einer ersten Einschweißtiefe auf zumindest eine zweite Einschweißtiefe im Werkstück durch die Kombination von a) und b) gegenüber einer ausschließlichen Durchführung von b).In an advantageous development of the method proposed according to the invention, a first welding depth is increased to at least a second welding depth in the workpiece through the combination of a) and b) compared to carrying out b) exclusively.
Des Weiteren erfolgt in vorteilhafter Weise eine Erhöhung einer ersten Einschweißtiefe auf zumindest eine zweite Einschweißtiefe im Werkstück durch die Kombination von a) und c) gegenüber einer ausschließlichen Durchführung von c).Furthermore, a first welding depth is advantageously increased at least a second welding depth in the workpiece through the combination of a) and c) compared to carrying out c) exclusively.
In einer vorteilhaften Weiterbildung des der Erfindung zugrundeliegenden Gedankens erfolgt eine Verringerung einer H2-Aufnahme durch eine Kombination von a) und b) gegenüber einer ausschließlichen Durchführung von b). Des Weiteren kann beim erfindungsgemäß vorgeschlagenen Verfahren eine Verringerung einer H2-Aufnahme durch eine Kombination von a) und c) gegenüber ausschließlich c) erreicht werden.In an advantageous further development of the idea on which the invention is based, H 2 uptake is reduced by a combination of a) and b) compared to carrying out b) alone. Furthermore, in the method proposed according to the invention, a reduction in H 2 uptake can be achieved by a combination of a) and c) compared to c) alone.
In einer vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäß vorgeschlagenen Verfahrens wird das Laserstrahlschweißen mit einer Laserstrahlung unterhalb einer Wellenlänge von 0,6 µm, bevorzugt mit einer Wellenlänge grünen Laserlichts von 0,515 µm sowie weiter bevorzugt mit einer Wellenlänge blauen Laserlichts im Bereich von 0,44 µm bis 0,46 µm durchgeführt.In an advantageous development of the method proposed according to the invention, laser beam welding is carried out with laser radiation below a wavelength of 0.6 μm, preferably with a wavelength of green laser light of 0.515 μm and more preferably with a wavelength of blue laser light in the range from 0.44 μm to 0. 46 µm performed.
Beim erfindungsgemäß vorgeschlagenen Verfahren liegt während der Durchführung des Verfahrensschritts a) die Temperatur τ an der Oberfläche des Werkstücks unterhalb der Verdampfungstemperatur des Kupfers.In the method proposed according to the invention, the temperature τ on the surface of the workpiece is below the evaporation temperature of the copper while method step a) is being carried out.
Weiterhin übersteigt beim erfindungsgemäß vorgeschlagenen Verfahren der Absorptionsgrad von Laserstrahlung in Kupferoxid den Absorptionsgrad von Laserstrahlung in blankem Kupfer um ein Vielfaches.Furthermore, in the method proposed according to the invention, the degree of absorption of laser radiation in copper oxide exceeds the degree of absorption of laser radiation in bare copper many times over.
Beim erfindungsgemäß vorgeschlagenen Verfahren lassen sich bei einer Kombination der Verfahrensschritte a) und b) Einschweißtiefen im Bereich zwischen 20 µm bis 300 µm erzielen.In the method proposed according to the invention, welding depths in the range between 20 μm and 300 μm can be achieved with a combination of method steps a) and b).
In einer Ausführungsvariante des erfindungsgemäß vorgeschlagenen Verfahrens kann eine Kombination der Verfahrensschritte a) und c) zu Einschweißtiefen führen, die im Bereich zwischen 100 µm bis 2000 µm liegen.In one embodiment of the method proposed according to the invention, a combination of method steps a) and c) can lead to welding depths in the range between 100 μm and 2000 μm.
Beim erfindungsgemäß vorgeschlagenen Verfahren liegt die Anzahl der Überfahrten entlang der Schweißnahtgeometrie bei der Durchführung der Verfahrensschritte a) und b) < 10, bevorzugt < 5.In the method proposed according to the invention, the number of passes along the weld seam geometry when carrying out method steps a) and b) is <10, preferably <5.
Beim erfindungsgemäß vorgeschlagenen Verfahren kann alternativ die Anzahl der Überfahrten entlang der Schweißnahtgeometrie bei Durchführung der Verfahrensschritte a) und c) < 10 betragen, bevorzugt < 5.In the method proposed according to the invention, the number of passes along the weld seam geometry when carrying out method steps a) and c) can alternatively be <10, preferably <5.
In vorteilhafter Weise ermöglicht die Durchführung des erfindungsgemäß vorgeschlagenen Verfahrens die Erzeugung der Oxidschicht an der Oberfläche des Werkstücks durch den Laserstrahl selbst. Weitere Bearbeitungsschritte zur Erzeugung der Oxidschicht an der Oberfläche des Werkstücks können mithin unterbleiben.Carrying out the method proposed according to the invention advantageously enables the production of the oxide layer on the surface of the workpiece by the laser beam itself. Further processing steps for producing the oxide layer on the surface of the workpiece can therefore be omitted.
Darüber hinaus bezieht sich die Erfindung auf die Verwendung des Verfahrens zum Schweißen von mit Cu beschichteten Substraten aus Kunststoff oder Keramik, bei welchem eine Cu-Metallisierungsdicke zwischen 20 µm bis 500 µm vorliegt. Darüber hinaus bezieht sich die Erfindung auf die Verwendung des Verfahrens zum Verschweißen von Folienstapeln aus Kupferfolien im Bereich der Batteriefertigung. Weiterhin bezieht sich die Erfindung auf die Verwendung des Verfahrens in der Elektronikfertigung zum Fügen dünn beschichteter Flexfolien mit einer Dicke zwischen 10 µm bis 100 µm auf dünn beschichtete Substrate mit einer Dicke zwischen 10 mm bis 100 mm.In addition, the invention relates to the use of the method for welding Cu-coated substrates made of plastic or ceramics, in which the Cu metallization thickness is between 20 μm and 500 μm. In addition, the invention relates to the use of the method for welding foil stacks made of copper foils in the field of battery production. Furthermore, the invention relates to the use of the method in electronics production for joining thinly coated flex foils with a thickness of between 10 μm and 100 μm on thinly coated substrates with a thickness of between 10 mm and 100 mm.
Vorteile der ErfindungAdvantages of the Invention
Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung wird die Reduzierung der durch Anwesenheit von H2 verursachten Porosität beim Laserstrahlschweißen von Kupferwerkstoffen durch Aufbringen einer Oxidschicht an der Werkstückoberfläche verhindert. Das Kupferoxid an der Oberfläche des mittels Laserschweißen zu verschweißenden Werkstücks führt zu einer Bindung des Umgebungswasserstoffs an der Oberfläche. Dabei wird Wasserdampf gebildet, der oberflächennah aus der Schweißzone entweichen kann, ohne dass es zu einer Porosität im Schweißnahtvolumen kommt.According to one aspect of the present invention, the reduction in porosity caused by the presence of H 2 during laser beam welding of copper materials is prevented by applying an oxide layer to the workpiece surface. The copper oxide on the surface of the workpiece to be welded by means of laser welding leads to a binding of the ambient hydrogen on the surface. In the process, water vapor is formed, which can escape from the weld zone near the surface without porosity occurring in the weld seam volume.
Eine entsprechende Oxidation der Werkstückoberfläche kann vorab am Werkstück mittels Wärmebehandlung erfolgen, insbesondere durch den Laserstrahl selbst vor der Ausführung des eigentlichen Schweißprozesses. Dazu führt der Laserstrahl eine Überfahrt über die Schweißnahtgeometrie mit einer reduzierten Laserleistung durch, wodurch die Wärmebehandlung gegeben ist.A corresponding oxidation of the workpiece surface can take place in advance on the workpiece by means of heat treatment, in particular by the laser beam itself before the actual welding process is carried out. For this purpose, the laser beam runs over the weld seam geometry with a reduced laser power, which results in the heat treatment.
Hierbei ist darauf zu achten, dass die Temperatur an der Spitze des Laserstrahls, die im Wesentlichen der Temperatur entspricht, die an der Oberfläche des Werkstoffes herrscht, die Verdampfungstemperatur nicht überschreitet. Durch dieses auch als Wärmeleitungsschweißen bezeichnete Vorgehen kann der Wärmeeintrag in das Werkstück minimiert werden und eine ausreichend dicke Oxidschicht erzeugt werden. In einem weiteren Prozessschritt erfolgt der eigentliche Schweißprozess entlang einer zur Wärmebehandlung identischen Schweißbahngeometrie. Durch die erfindungsgemäß vorgeschlagene Lösung kann der Defekt einer unzulässig hohen Bildung von Wasserstoffporen in der Schweißnaht signifikant reduziert und idealerweise vollständig eliminiert werden. Durch die Oxidation der Oberfläche des Werkstücks kann insbesondere auf den Einsatz teurer Schutzgase, so zum Beispiel Helium, Argon und Stickstoff, und eine Bildung einer Schutzgasatmosphäre verzichtet werden, und die damit einhergehenden Kosten können eingespart werden. Auch der Einsatz von Zusatzmaterial, wie beispielsweise Titan, Silizium oder Aluminium, kann entfallen und dementsprechend können Produktionskosten verringert werden.It is important to ensure that the temperature at the tip of the laser beam, which essentially corresponds to the temperature at the surface of the material, does not exceed the vaporization temperature. This procedure, also known as heat conduction welding, can minimize the heat input into the workpiece and produce a sufficiently thick oxide layer. In a further process step, the actual welding process takes place along a weld path geometry that is identical to that of the heat treatment. With the solution proposed according to the invention, the defect of an impermissibly high formation of hydrogen pores in the weld seam can be significantly reduced and ideally completely eliminated. Through the oxidation the surface of the workpiece, in particular the use of expensive protective gases, such as helium, argon and nitrogen, and the formation of a protective gas atmosphere can be dispensed with, and the associated costs can be saved. The use of additional material, such as titanium, silicon or aluminum, can also be omitted and production costs can be reduced accordingly.
Werden die Kupferwerkstoffe mittels grüner Laserstrahlung miteinander stoffschlüssig gefügt, kann ein sehr stabiler Schweißprozess erreicht werden, der insbesondere eine konstante Einschweißtiefe garantiert und andererseits spritzarm beziehungsweise spritzerfrei durchgeführt werden kann. Durch Vermeidung der wasserstoffinduzierten Porosität können die Vorteile dieses Prozesses ohne weitere Betrachtung eines möglichen festigkeitsmindernden Einflusses der Porenbildung übertragen werden. So lassen sich insbesondere auf Substraten aus Kunststoff oder Keramik, die Kupfermetallisierungen von wenigen Hundert Mikrometern aufweisen, Schweißnähte erzeugen, ohne dass die Substrate aus Keramik oder Kunststoff durch den Laserstrahl beschädigt würden.If the copper materials are joined together using green laser radiation, a very stable welding process can be achieved which, in particular, guarantees a constant welding depth and, on the other hand, can be carried out with little or no spatter. By avoiding the hydrogen-induced porosity, the advantages of this process can be transferred without further consideration of a possible strength-reducing influence of pore formation. In particular, weld seams can be produced on substrates made of plastic or ceramic, which have copper metallizations of a few hundred micrometers, without the substrates made of ceramic or plastic being damaged by the laser beam.
Gemäß einem weiteren Aspekt des erfindungsgemäß vorgeschlagenen Verfahrens kann durch das Ausnutzen von Wärmeakkumulationseffekten durch Mehrfachüberfahrten des Werkstücks durch den Laserstrahl eine größere Einschweißtiefe erreicht werden. Wird gemäß dem erfindungsgemäß vorgeschlagenen Verfahren eine mehrfache Überfahrt der Schweißnahtgeometrie vorgenommen, kann durch die damit einhergehende Oxidbildung während des Schweißens auf der Oberseite der Schweißnaht eine aktiv erzeugte Oxidschicht hergestellt werden. Dies bringt zweierlei Vorteile mit sich: Bei einer zweiten Überfahrt mit dem Laserstrahl, der mit Laser-Nennleistung betrieben wird, wird an der zu verschweißenden Stelle die Energie des Laserstrahls über das Oxid an der Oberfläche in das Material absorbiert. Der Absorptionsgrad von Kupferoxid liegt um Faktoren höher als der Absorptionsgrad gängiger Laserwellenlängen in blankem Kupfer. Folglich wird mehr Energie im Werkstück deponiert und die Einschweißtiefe erhöht sich. Zum Zweiten erfolgt die Bildung von Kupferoxid unter der Abgabe von Energie im Rahmen einer exothermen Reaktion, was wiederum zur erhöhten Deponierung von Energie im Werkstück und damit zu einer gesteigerten Einschweißtiefe führt.According to a further aspect of the method proposed according to the invention, a greater welding depth can be achieved by utilizing heat accumulation effects caused by multiple passes over the workpiece by the laser beam. If, according to the method proposed according to the invention, the weld seam geometry is passed over several times, an actively generated oxide layer can be produced on the upper side of the weld seam due to the associated oxide formation during welding. This has two advantages: During a second pass with the laser beam, which is operated at the nominal laser power, the energy of the laser beam is absorbed into the material via the oxide on the surface at the point to be welded. The degree of absorption of copper oxide is several times higher than the degree of absorption of common laser wavelengths in bare copper. As a result, more energy is deposited in the workpiece and the welding depth increases. Secondly, the formation of copper oxide takes place with the release of energy as part of an exothermic reaction, which in turn leads to increased deposition of energy in the workpiece and thus to an increased welding depth.
Durch das erfindungsgemäß vorgeschlagene Verfahren wird die Einschweißtiefe bei spritzerfrei durchzuführendem Laserstrahlschweißen deutlich erhöht. Dies bringt für viele potenzielle Schweißprozesse, insbesondere in der Elektronik- und der Batteriefertigung entscheidende Vorteile mit sich. Werden beispielsweise in der Batteriefertigung Folienstapel aus Kupferfolie geschweißt, kann durch Anwendung des erfindungsgemäß vorgeschlagenen Verfahrens ein dickerer Folienstapel sicher und qualitativ hochwertig verschweißt werden. Dies ist der im Wesentlichen porenfrei ausgebildeten Schweißnaht einerseits und andererseits der Erhöhung der Einschweißtiefe, die beim erfindungsgemäß vorgeschlagenen Verfahren erzielt werden kann, geschuldet. In der Elektronikfertigung werden oftmals dünne Folien (Flexfolien) auf dünn beschichtete Substrate gefügt. Beim konventionellen Wärmeleitschweißprozess ist die Dicke der sicher zu verschweißenden Flexfolien auf wenige zehn Mikrometer begrenzt. Durch die Anwendung des erfindungsgemäß vorgeschlagenen Verfahrens können diese Grenzen nach oben hin verschoben werden.The method proposed according to the invention significantly increases the welding depth in the case of laser beam welding to be carried out without spatter. This brings decisive advantages for many potential welding processes, especially in electronics and battery production. If, for example, foil stacks made of copper foil are welded in battery production, a thicker foil stack can be welded reliably and with high quality by using the method proposed according to the invention. This is due on the one hand to the essentially non-porous weld seam and on the other hand to the increase in the welding depth that can be achieved with the method proposed according to the invention. In electronics manufacturing, thin foils (flex foils) are often attached to thinly coated substrates. With the conventional heat conduction welding process, the thickness of the flex foils that can be safely welded is limited to a few tens of micrometers. By using the method proposed according to the invention, these limits can be shifted upwards.
Ein weiterer schlagender Vorteil des erfindungsgemäß vorgeschlagenen Verfahrens ist darin zu sehen, dass das Oxid an der Werkstückoberfläche (Nahtoberraupe) durch das Werkzeug selbst, d. h. durch den Laserstrahl erzeugt wird. Für die sichere Einkopplung der Energie des Laserstrahls ist es gemäß dem Stand der Technik nicht unüblich, das Werkstück an seiner Oberfläche beispielsweise mit Zinn oder Nickel zu beschichten. Diese Vorbehandlung kann durch das erfindungsgemäß vorgeschlagene Verfahren mit induzierten Oxidschichten an der Oberfläche vermieden werden, wodurch sich vorbehandelnde Arbeitsschritte bei Durchführung von automatisierten Schweißprozessen einsparen ließen.Another striking advantage of the method proposed according to the invention can be seen in the fact that the oxide on the workpiece surface (seam upper bead) is removed by the tool itself, i. H. generated by the laser beam. For reliable coupling of the energy of the laser beam, it is not unusual according to the prior art to coat the surface of the workpiece with tin or nickel, for example. This pre-treatment can be avoided by the method proposed according to the invention with induced oxide layers on the surface, as a result of which pre-treatment work steps can be saved when carrying out automated welding processes.
Figurenlistecharacter list
Ausführungsformen der Erfindung werden anhand der Zeichnungen und der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.Embodiments of the invention are explained in more detail with reference to the drawings and the following description.
Es zeigen:
-
1 den schematischen Zusammenhang zwischen Wasserstofflöslichkeit und Temperatur für Cu, -
2 gegenübergestellte Querschnitte lasergestrahlter Proben aus Reinkupfer mit aktiv oxidierter Oberfläche beziehungsweise im unbehandelten Zustand, -
3 lichtmikroskopische Aufnahmen laserstrahlgeschweißter Kupferproben in Dunkelfeld- und Hellfelddarstellung, -
4.1 ,4.2 schematische Darstellung der ersten Überfahrt sowie der zweiten Überfahrt, wobei der Laserstrahl mit Laser-Nennleistung betrieben wird, -
5 den Verlauf der erreichbaren Einschweißtiefe laserstrahlgeschweißter Kupferproben aufgetragen über die Anzahl der Überfahrten.
-
1 the schematic relationship between hydrogen solubility and temperature for Cu, -
2 compared cross-sections of laser-blasted samples made of pure copper with an actively oxidized surface or in the untreated state, -
3 light micrographs of laser beam welded copper samples in dark field and bright field representation, -
4.1 ,4.2 schematic representation of the first pass and the second pass, with the laser beam being operated at the rated laser power, -
5 the course of the achievable welding depth of laser beam welded copper samples plotted against the number of passes.
Ausführungsformen der ErfindungEmbodiments of the invention
In der nachfolgenden Beschreibung der Ausführungsformen der Erfindung werden gleiche oder ähnliche Elemente mit gleichem Bezugszeichen bezeichnet, wobei auf eine wiederholte Beschreibung dieser Elemente in Einzelfällen verzichtet wird. Die Figuren stellen den Gegenstand der Erfindung nur schematisch dar.In the following description of the embodiments of the invention, the same or similar elements are denoted by the same reference symbols, with a repeated description of these elements being dispensed with in individual cases. The figures represent the subject matter of the invention only schematically.
Der Darstellung gemäß
Liegt hingegen eine blanke, unbehandelte Oberfläche 20 im Bereich der Laserstrahlschweißung 22 vor, kommt es zur Bildung von Poren 26, die im Material der Schweißnaht nach der Laserstrahlschweißung 22 ausgebildet werden. Die Poren 26, die im Bereich 28 mit Gefügeänderungen vorliegen, schwächen die erzielbare mechanische Festigkeit der Laserstrahlschweißung 22 nicht unerheblich.If, on the other hand, there is a bare,
Der Darstellung gemäß
Nach der Durchführung der Vorbehandlung der Oberfläche 44, d. h. deren aktiver Oxidation 24, beispielsweise durch eine einmalige Wärmebehandlung einer Oberfläche 44 eines Werkstücks 42 durch einen Laserstrahl 40 mit reduzierter Laserleistung, erfolgt gemäß
Bei einer in
In der Darstellung gemäß
Die jeweiligen Überfahrten entlang der Schweißnahtgeometrie 36 erfolgten mit beispielsweise einem ersten Parameterset 74. Entsprechend dem ersten Parameterset 74 wurde ein Laserstrahl 40 mit einer ersten Leistung P1 und einer ersten Vorschubgeschwindigkeit betrieben. Entsprechend den Überfahrten, die weniger als 5 betrugen, werden Einschweißtiefen von bis zu 110 µm erreicht. Wird die Vorschubgeschwindigkeit erhöht, d. h. übersteigt die Vorschubgeschwindigkeit v2 die Vorschubgeschwindigkeit v1 - bei konstanter Laserleistung P1 - werden bei bis zu 10 Überfahrten Einschweißtiefen bis zu 80 µm erhalten. Wird bei konstanter Laserleistung die Vorschubgeschwindigkeit nochmals gesteigert, d. h. v3 > v2 > v1, so verringert sich die Einschweißtiefe bei Überfahrten von weniger als 20 µm auf bis zu 60 µm.The respective crossings along the
Bei einer Erhöhung der Laserleistung auf P2 und einer erhöhten Vorschubgeschwindigkeit von z. B. 1 m/s werden hingegen bei zwei Überfahrten Einschweißtiefen von bis zu 85 µm erreicht. Wird bei konstanter Laserleistung P2 die Vorschubgeschwindigkeit des Laserstrahls 40 in Vorschubrichtung 48 im Vergleich zum vierten Parameterset 80 verdoppelt, so werden lediglich Einschweißtiefen in der Größenordnung zwischen 30 und 40 µm erreicht.With an increase in laser power to P 2 and an increased feed rate of z. B. 1 m/s, on the other hand, welding depths of up to 85 µm are achieved with two passes. If the feed speed of the
Dies bedeutet, dass bei geringer Vorschubgeschwindigkeit in Vorschubrichtung 48 die höchsten Einschweißtiefen erreicht werden. Aus der Darstellung gemäß
Die Erfindung ist nicht auf die hier beschriebenen Ausführungsbeispiele und die darin hervorgehobenen Aspekte beschränkt. Vielmehr ist innerhalb des durch die Ansprüche angegebenen Bereichs eine Vielzahl von Abwandlungen möglich, die im Rahmen fachmännischen Handelns liegen.The invention is not limited to the exemplary embodiments described here and the aspects highlighted therein. Rather, within the range specified by the claims, a large number of modifications are possible, which are within the scope of expert action.
Claims (16)
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Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE102020212701.8A DE102020212701A1 (en) | 2020-10-08 | 2020-10-08 | Process to reduce pores and to increase the penetration depth when welding copper materials |
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DE102020212701A1 true DE102020212701A1 (en) | 2022-04-14 |
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ID=80817913
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DE102020212701.8A Pending DE102020212701A1 (en) | 2020-10-08 | 2020-10-08 | Process to reduce pores and to increase the penetration depth when welding copper materials |
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Citations (5)
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DE19506768A1 (en) | 1994-02-28 | 1995-08-31 | Mitsubishi Electric Corp | Cutting and welding coated material with laser beam |
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DE102020202697A1 (en) | 2019-03-04 | 2020-09-10 | Kabushiki Kaisha Toshiba | Welding process |
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2020
- 2020-10-08 DE DE102020212701.8A patent/DE102020212701A1/en active Pending
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